改进的八至二十结点三维非协调等参元

本文对R,L,Taylor等人提出的平面非协调元QM6满足分片检验修正条件,提出了进一步的修正建议,并将其应用于八至二十结点等参元,从而得到了一类适应空间不规则网格应力分析的非协调元QMM6,该单元与QM6单元相比,具有计算量小,在畸变网格条件下精度高等优点。     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM 薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

广义协调元的变分基础及几何不变性

本文根据修正的势能原理推出了广义协调元列式。从而为广义协调元提供了一种变分依据。同时讨论了广义协调元的几何不变性,即单元与其节点号编序的相关性问题。在此基础上推导了一个任意四边形薄板弯曲单元,数值结果表明该单元能保证收敛,具有与单元节点号编序无关性,与现有的同类单元相比,具有较高的精度。     

用自然三角形单元计算应力强度因子

用有限元法计算应力强度因子的各种奇异元中,由八节点或十二节点的四边形等参数单元所派生的奇异元最为简单,因为这种单元就是原有的等参数单元,无须程序变动,只要适当地改变裂纹顶点单元的边中点的坐标,就可使应变具有γ~(-1/2)的奇异性。这种单元是协调单元,满足收敛准则,当有人提出过渡单元概念以后,使计算结果更为精确,因此,这种单元是工程中广泛应用的一种计算应力强度因子的奇异元。与四边形等参数单元相应的一族单元是自然三角形单元。下面证明六节点的二次三角形单元和十节点的三次三角形单元,尽管它们的形状函数与上述四边形二次和三次单元通过一边收缩成一点而成的三角形单元的形状函数不同,但通过边上点取与上述等参数单元相同的位置,也可得到角点的应变具有γ~(-1/2)的奇异性。不同的是,对于六节点     

三角形薄板单元的积分分类和积分公式

薄板弯曲的三角形单元,如果在节点处仅用位移和它的一次导数来描述,则多项式形函数并不能保证完全协调,因而对某些不规则网格,其计算精度很差.为了克服这一缺点,通常采用多项式位移函数补充一个在节点处二次导数不是唯一值的有理修正函数.尽管这样会导致由于引进有理修正函数而具有奇异节点,但可满足单元协调要求.譬如.文献、中用三个有理修正函数ε_1,ε_2、ε_3补充到一个三次多项式中去,以确定一个完全三次多项式的协调元.在三角形面积座标中,三个有理修正函数为     

一个高精度三维8节点非协调元的实现

采用一种新的修正项既可使非协调元通过分片检验,又可获得较好的精度和性能。本文对获得的三维8节点六面体单元中涉及的积分给出解析形式,进一步提高该单元的计算效率和实用性。     

用逐点插入法生成Delaunay四面体自适应网格

介绍一种基于Delaunay算法的四面体自适应网格的自动划分方法。该方法用单元尺度场控制生成网格的疏密分布,在不满足尺度场要求的单元面形心处插入新节点,同时计算新节点单元尺寸参数,实现三维实体的Delaunay四面体自动划分。此方法具有几个特点:一是表面网格与体内网格同步划分,无需区分两者;二是结点与单元同时生成;三是生成网格自适应性好,疏密分布任意。另外,还介绍了三维网格划分中两个相关算法:一个是约束面恢复算法,该算法基于约束面不允许有单元边与之相交的性质而提出的;另一个是将二维射线法推广至三维空间,判断一个点是否在一多面体内,实现了凹多面体的划分。最后通过算例对单元质量进行了评价。本文所述方法是一种有效的四面体自适应单元生成算法。     

一种基于三角形非结构化网格SIMPLE算法的程序设计

为了深入研究解决流动问题的基本算法,提出了一种三角形非结构化网格上SIMPLE算法的计算机程序设计。利用FORTRAN语言的特点,采用自定义变量存储控制单元以及界面信息。单元变量中定义了指向相邻单元和界面的指针,通过对网格文件所提供拓扑信息的读取对这些指针进行赋值,从而建立计算所需的基本数据结构。这样,就避免了采用数组直接存储网格拓扑信息,大大增加了程序的可读性、拓展性和二次开发潜力。通过顶盖驱动流、后台阶流以及圆柱绕流几个经典计算流体力学算例的验证,该程序计算收敛良好,精度较高,所得结果符合物理实际。因而,可在此基础上开发更具实际应用价值的三维程序。     

12结点三维等参奇异单元的构造和应用

通过改变三维8结点六面体等参单元的结点位置、结点数目和形函数,构造了一种12结点三维等参奇异单元,该单元的应力场具有1/(√r)奇异性,可以模拟裂缝前沿的奇异应力场;该单元的位移模式在其中两个坐标方向是线性变化的,因此,该单元与线性单元连接时不需要过渡单元,仍能保证交界面位移协调,克服了20结点三维等参奇异单元不能与线性单元协调连接的缺陷;文章最后将该奇异单元布置在裂缝前沿,应用有限元法计算了三点弯曲梁预制裂缝前沿的应力强度因子,该结果与规范公式计算值基本一致.     

脆性材料破坏模拟的网格生成算法

脆性材料的破坏过程具有随机性,当前的网格生成算法没有充分考虑脆性材料破坏时裂纹扩展和碎块生成的随机性。在Persson网格生成算法与Delaunay随机网格剖分理论基础上,提出了一种可根据模拟需要动态控制网格品质的网格生成算法。通过对随机分布点的Delauna三角化,生成初始网格,然后将网格体系比拟为桁架结构,网格节点即为桁架节点。桁架节点在虚拟力作用下可动态调整位置,并最终达到整个体系受力平衡。对Persson 算法中的尺寸分布函数和收敛条件进行了修正,从而提高了收敛速度,并适用于任意形状对象的网格剖分。 基于VC++平台开发了算法程序。通过实例对算法进行了验证,表明算法能够满足脆性材料破碎模拟的需要。     

基于点球弹簧修匀法的混合网格变形并行算法

针对二维/三维混合网格,提出基于点球弹簧修匀法的并行网格变形算法。按特定模板将混合网格中的非三角形/四面体单元分解成三角形/四面体单元。针对每个内部节点及其相邻节点建立相应的子弹簧系统,并通过增加Ball-Vertex弹簧避免弹簧系统的塌陷问题。由于点球弹簧法在计算中逐点对网格内部节点进行计算,在计算过程中具有良好的弱耦合性质,因此有利于算法并行化。在并行化时仅需对网格进行虚拟分区操作,不必进行复杂的几何分区操作,同时避免了混合网格不同单元之间的兼容性问题。该方法适用于具有复杂外形的大规模混合网格的变形问题,能够显著提高网格变形的效率,同时具有良好的适应性。     

基于点球弹簧修匀法的混合网格变形并行算法A parallel algorithm for hybrid mesh deformation based on Vertex-Ball Spring Smoothing

针对二维/三维混合网格,提出基于点球弹簧修匀法的并行网格变形算法。按特定模板将混合网格中的非三角形/四面体单元分解成三角形/四面体单元。针对每个内部节点及其相邻节点建立相应的子弹簧系统,并通过增加Ball-Vertex弹簧避免弹簧系统的塌陷问题。由于点球弹簧法在计算中逐点对网格内部节点进行计算,在计算过程中具有良好的弱耦合性质,因此有利于算法并行化。在并行化时仅需对网格进行虚拟分区操作,不必进行复杂的几何分区操作,同时避免了混合网格不同单元之间的兼容性问题。该方法适用于具有复杂外形的大规模混合网格的变形问题,能够显著提高网格变形的效率,同时具有良好的适应性。     

弹性力学中的一种非协调数值流形方法

通过引入数学和物理双重网格，将插值域与 积分域分别定义在不同的覆盖上，即在数学网格上进行插值函数的构造，物理网格上完成 系统能量泛函积分运算，最后通过覆盖权函数将二者联结在一起. 它的优点是单元网格划 分随意，不受复杂边界形状和二相材料界面的限制，单元可以是任意形状，是较之于有限 元方法更一般的数值模拟方法. 在4节点四边形数值流形方法中，由于单元总体位移函数 包含的完全多项式不完全，使得计算精度不够精确，为此，在单元总体位移函数上附 加非协调位移基本项，使之趋于完全，提出了弹性力学问题的一种改进的数值流形 方法------非协调数值流形方法. 通过内部自由度静力凝聚处理，导出了消除内参后的单元应变矩阵 和单元刚度矩阵，使得在不增加广义节点自由度的前提下，大大提高了数值流形方法的计 算精度和计算效率. 同时对非协调项进行了显式处理，可以对工程实践起到更切实的帮助. 数值试验表明，它们能够保证收敛，有较高的精度，对畸变不敏感，从而证明了该方法的 可行性.     

A GENERAL ALGORITHM FOR CALCULATING NEARLY SINGULAR INTEGRALS OVER HIGH-ORDER ELEMENTS IN 3D BEM

三维边界元分析中,高阶几何单元上的几乎奇异积分计算是一个重要而且困难的问题,该文对此进行了研究。使用8节点四边形和6节点三角形曲面单元来描述几何边界;构造了新的距离函数;拓展原有的指数函数非线性变换到三维边界元法中,利用拓展的变换来消除被积函数的几乎奇异性。数值算例表明,该算法稳定,效率高,即使计算点到实际边界的距离很小,依然可获得令人满意的数值解。     

Hahn-Tsai复合材料的非线性杂交应力有限元方法

成功建立了Hahn-Tsai复合材料模型的非线性杂交应力有限元方程,采用Newton-Raphson迭代法求解结构的非线性位移方程。在迭代过程中,为了提高计算效率可采用简单迭代法由节点位移求解单元应力场。但是,当载荷增加到一定程度以后,非线性应力场由于循环迭代而无法收敛,显然,一般的加速方法不能解决这种循环迭代的发散问题。因此,本文发展了一种确实有效的非线性应力场迭代新方法,在不增加计算工作量的情况下,不仅极大地提高了收敛速度,而且对于较大载荷也能够很好地收敛,从而解决了大载荷下非线性杂交元方法失败的关键问题。数值算例表明该方法是确实可行的。     

弱连续条件下的九参三角形板元

首先对薄板弯曲平衡方程的弱形式进行了推导,导出保证单元收敛的弱协调条件,即三角形顶点函数值连续和三边的法向导数积分连续这两个条件;对比拟协调元、广义协调元和双参数法中所使用的3个积分连续条件,本条件更弱;再对这3个积分协调条件的构成方法进行了总结和分析,现有采用积分连续条件构造的有限元大都采用了这些构成方法.采用弱协调条件构造有限元,比原来的构造范围更广,井以此构造出几种单元作为算例.采用这种构成法还可构造多种单元,它们都具有采用最小势能原理法构成有限元的简便的优点,并在任意网格下收敛到真解.     

基于单元相交的混合网格精确守恒插值方法

基于网格切割思想,发展了二维/三维混合网格条件下的单元相交算法,可精确计算任意两个多边形/多面体的交集。在此基础上,实现了基于单元相交(CIB/DC)的精确守恒插值算法。二维和三维验证算例表明,该方法能够保证插值过程中计算域内物理量的严格守恒,且具有比常规二阶插值更高的精度。     

海洋平台导管架结构分析中管节点局部柔度的等效单元

本文建立了一种在海洋平台导管架有限元分析中代表管节点局部柔度的等效单元,可有效地反映管节点在轴力和弯矩作用下的局部变形性质,并导出了T型、Y型以及K型管节点的局部柔度等效单元的刚度矩阵。本文建立的等效单元可方便地与通用结构分析有限元程序(如SAP5)配合,对海洋平台导管架进行计及管节点局部柔度的精确静动力分析。作者编制了与SAP5配合使用的前处理程序,可自动生成符合SAP5输入格式的等效单元读入刚度矩阵的数据。文中给出了说明等效单元应用方法的简单算例。与有限元法计算的结果比较表明,用等效单元模拟管节点的局部柔度是必要的和准确可行的。     

厚壁等径三通的有限元研究

本文应用三维砖块八节点等参协调元(简称Q4元)和不协调元(称QM6元),对厚壁等径三通,在轴向推力与面内弯矩载荷作用下的弹性变形与应力分布进行了计算,得到了它们的变形与应力分布曲线,并进行比较。结果表明,用Q4元计算,在弯曲变形较大的区域,误差较大,反映不出三通的应力集中区的应力梯度高的特性,而QM6元则能较精确地计算出应力集中区的应力。